大规模光伏发电对电力系统影响研究

何其伟

摘 要：光伏发电作为一种新兴节能用电资源和可再生资源，已经逐渐受到社会学者的重视和政府支持，成为目前主要应用的用电能源方式之一。大规模光伏发电能够在极大程度上解决居民的用电问题，本文从光伏发电并网系统角度进行概述和研究，包括光伏发电系统模型的构建等，之后从伏发电系统相关问题着手，进一步研究光伏发电系统中存在的主要问题，并给出相应解决对策。希望大规模光伏发电能够得到普及使用，实现社会能源资源的节约。

关键词：光伏发电 电力系统 大规模

引 言

智能化信息的应用和普及，在资源能源节约和现代化能源的创新应用提供了优质的基本发展条件。分布式光伏发电能源在化学能源逐渐走向枯竭的背景下应运而生，得到了迅速发展和广泛推广，在现代智能化网络信息技术不断得以创新和普及的情况下，加之各种可用化学能源的急剧减少，分布式光伏系统发展已经成为促进社会经济发展和维持生态平衡的必然需求。这里需要注意的是，在大规模光伏给人带来极大生活便利性的同时，也对电力系统产生了较大影响。

一、光伏发电系统发展现状及光伏发电网概述

（一）光伏发电系统的发展现状

众所周知，利用太阳能作为发电能源，既能够有效解决资源能源的利用，又能够起到环境保护的作用，而且太阳能能够持续可循环使用，这也在某种程度上决定了太阳能在能源資源当中不可替代的作用和地位。对太阳能的正确使用能够提高能源利用效率，还对资源的解决具有一定帮助作用，符合当前中国经济发展的可持续生产和生态稳定发展的基本原则。其中，光伏发电是指利用太阳产生的光能源转化为能够被广泛应用的电能，受节约能源的积极观念影响，光伏发电技术已经逐步受到世界各地的重视，同时也成为发展速度最快的产业能源之一，并且到目前为止仍然呈持续增长状态。由此可见，光伏发电的发展前景十分客观，不过即时其具备许多优点，但事实上在节约能源的同时，光伏发电的应用价格要高出普通电力价格的很多倍，这在某种程度上导致光伏发电的市场竞争能力较弱，而且就目前的光伏发电技术而言，通常被应用于相对偏远的地区，或具有一定通讯障碍的特殊地区，具有一定劣势，不利于光伏发电的普遍发展。在此基础上，由于中国的光伏发电技术起步相对晚一些，所以在发展过程中难免会遇到一些技术性问题，但这并不影响光伏发电的发展速度，只要对此类问题加以解决，能够促进光伏发电更好更快的发展[1]。

（二）光伏发电网概述

通过对光伏电池组建的利用实现对太阳能的转换，即光伏发电网，再利用线缆实现电流的传送，并将直流电转换为与电网频率相同的交流电能，最终送至变压器升压并网。在实践工作中会根据电网需求实现电能资源的科学配送，将电能资源传送至公共电网当中。由于电能本身不具备存储功能，所以站在大量能源资源和太阳能产品的发展角度而言，光伏发电极有可能对电源结构具有优化作用，并且不会造成环境污染，符合现代社会大众的绿色环保理念，能够在最大程度上减少能源资源的消耗和浪费，促进电能资源使用效率的提升[2]。

大规模光伏发电能够促进我国电力能源资源的拓展，同时也提高了社会大众的用电节约和环境保护意识。

二、大规模光伏发电系统建模

由于传统能源使用对环境的影响污染问题逐渐突出，所以相关研究人员根据自己专业所学积极探索有关新能源开发的环境保护支持，也正因如此，光伏发电技术被逐渐应用且受到世界各地的重视。

（一）并网换流器和内环控制模型

换流器对大规模光伏系统的暂态并网特性具有一定影响，目前得到普遍使用的换流器一般是双环控制方式。通常这种方式会以电流的输入为主，在经过相应的控制后，形成内环电流的参考值，并直接确定其并网方式。在对换流器内环控制的过程中，采取电流输出的方式，将外环控制作为生成电流的参考标准，输入到公共网络[3]。

（二）光伏电池与阵列模型

光伏电池阵列模型通常会是建立在单二极管中，主要作用原理是在基尔霍夫等效电路的原理上实现的，在通过计算的方式使之简化，之后利用光伏发电机中的短路电流等相关技术参数，最终获得合适的模型表达方式。之后再将模型放入工程计算中加以应用。一般情况下，这里的光伏阵列模型是在光伏电池模型计算的基础上实现和获得的。此时需要注意的是，光伏组件差异或遮挡等通常会对陈列逆变器产生一定影响。

（三）系统架构

为普及光伏发电系统的应用，解决光伏发电劣势，新研制出高效信息数据处理架构DSP与ARM终端系统控制设备，通过搭建CNA总线分布，实现对光伏发电系统的有效监控，帮助居民解决光伏发电应用电源储蓄问题，促进二者协调控制发展。该系统是利用多个用户单元与一台中端机器共同构组成，每1台光伏电源配套搭配1台储能电源，CNA总线上的通节点由终端和分部电源共同组成，在此过程中，为确保通信质量，总线至多不可超过8个用户端单元。

在进行通信之前，需要对各个节点和接收数据帧消息标明ID，终端与各分布式电源不同，具有优先级，其他分布式电源则要按照ID依次排列标级。通信中各个节点之间地位平等，无主从关系。因为在CNA总线分布系统协议采用的是非破坏性仲裁技术，所以在每个节点同时发送数据信息给总线时，优先级高的节点会更具优势，保持持续传送状态，而节点优先级低，则会自动停止传送数据，使二者之间能够协调发展，确保系统应用具有较强可靠性。

三、大规模光伏发电对系统特性的影响

由于人口的持续增长，社会经济的迅速发展，使得民众生活中对能源的需求也在不断增加，这在某种程度上导致各种自然资源和可再生能源的破坏，使可在生能源资源逐渐减少，如果这种问题不能尽快得到妥善的解决和治理，那我们的生活将持续面临着环境恶化和资源枯竭的尴尬境地。开发可再生能源，循环利用可再生能源是目前发现最佳的解决手段，通过这种手段能够帮助人们摆脱困境，实现能源的可循环利用。而在推进大规模光伏发电系统的应用过程中，发现大规模光伏发电对系统特性的一些影响，具体内容如下：

（一）对电能质量的影响

电网运行过程中考虑的首要内容是电能质量，电能质量决定了居民用电情况和可行性，在电网系统与大规模光伏发电系统相连后，实际上属于电源結构的拓展。与此同时，在光伏发电系统当中，因为光伏数量和规模之间存在一定差异，所以电网架构也会在不同程度上受到影响。而在电流传输的过程中，一旦电网结构发生改变，则电网潮流分布会出现不受控制现象，此过程中，与之相应的电压分布也会在不同程度上发生显著改变，直接影响到居民的用电情况。另外，受电子器械普及使用的影响，电能消耗情况越来越严重，导致电力系统的正常运行不断面临新的挑战和压力[4]。

（二）对配电系统保护装置的影响

电网系统的正常运行对受众用电而言具有重要意义，为保证在电网系统运行当中能够不受其他因素的影响和阻碍，需要相关工作人员对其进行实时保护和管理。在大规模光伏电源接入配电系统后，通常会直接改变配电系统的保护装置，引发各种故障问题出现，如此一来，配电系统中的保护装置将不再发挥重要作用，例如，在电网系统当中接入光伏发电系统，则会直接导致电网结构产生变化，进而影响电网系统的正常运行。而且，大规模光伏发电系统一般也会对变电站装置造成一定影响[5]。

（三）对系统无功电压特性的影响

由于大规模光伏发电系统的特殊性，所以在正常情况下都会将其安置在海拔较高的覅房，或选择阳光充足地点，例如沙漠、戈壁等。选择这些地方具有人烟稀少和用电量需求小的优势特点，所以通常不会让电力负荷超出其正常值。通常情况下，在使用光伏发电系统进行发电的过程中，都不会出现大型断电短路情况，而且在利用该系统产生电能的同时，必须要用到高压输电向较远的地区运输电流。而在此过程中经常会产生输电随机波动现象，而随机波动现象的出现则会引发电网平衡性失调，导致电压在输送途中产生震动，进而破坏电网平衡。另外，一些大型光伏发电机因为受到无功电压限制影响，所以在运输电能过程中，极易对电网中电压质量造成损失影响，甚至可能导致电压幅度越界[6]。

（四）对功角稳定性的影响

大规模光伏发电系统的特征表明，在电能经过系统生产后，会在变压器的协助下被运输到公共电网中。通常这种情况会让电能的随机波动情况变大，导致电流传输功率受到严重影响，降低电网系统的等效惯量。与此同时，因为光伏发电系统具有一定特殊性，所以在发电机组的应用方面存在较大差异，若在电网系统中并入大规模光伏发电系统，则会直接导致电网稳定性受到影响，而电网本身稳定性是否会发生较大变化，则与光伏发电机的位置及其应用技术存在直接关系[7]。

（五）对小扰动稳定性的影响

在大规模光伏发电使用过程中，通常不会出现机械不稳定或电磁量现象，但却在一定程度上存在电气运行不稳定现象，这对电网的稳定性具有直接影响，同时也影响了电力系统功能的顺利实现。通过光伏发电系统的接入，能够实现在真正意义上做出功率的系统变革。在对小扰动分析后得出结论，光伏发电系统中存在不稳定现象，而这种情况的出现主要存在于最大功率点附近。由于系统的不平衡性会直接被直流电吸收，进而电容存储能力受到影响，在极大程度上被削弱，不利于发电系统的顺利运行[8]。

四、光伏发电系统相关问题分析

（一）跟踪控制问题研究

光伏发电不同于普通发电技术，受外界环境的影响相对较大，而且其输出功率因受不同作用下的外力环境影响以及内部技术器件的各种不同程度上的影响，导致光伏发电向外输出的曲线并非线性函数。如果光伏发电的外部环境相对稳定，那么光伏系统系统便有最大的功率输出点存在。也正是因为想要获得这种光率输出点，保证光伏发电能够出现最大输出，在光伏发电的技术系统应用过程中，常常会设置最大输出功率点的相关跟踪器。其实对光伏发电的跟踪和控制的方式不仅仅是单一的方法，比较常见的几种方式有观察法、固定电压法等。除此之外，相关光伏发电的科学研究人员还将模糊控制等于光伏最大功率控制跟踪相关的方法和方式进行跟踪研究，同时也取得了相应的成果。综上所述，光伏的跟踪方式较为多样化，但这些方法均有其利弊，所以怎样实现最佳的光伏功率最大，还是目前广发发电中较为重要的研究问题[9]。

（二）光伏发电并网控制研究

并网光伏发电，是指在光伏发电的基础上，由其于并网逆变器一同构成，期间没有蓄电池储能，也就是说，对光伏的并网控制，能够直接将逆变器产生的电源能量转送到相关的公共供电系统，这一系统的研究和控制，能够大幅度地减少在光伏发电系统中所消耗的能量，不仅如此，还对空间的应用有效减少，从而降低了光伏发电应用配置的相关成本问题。也正因如此，并网控制已经成为目前光伏发电系统当中应用次数最多的形式，但是要想将并网发电技术应用得当，必须要重视其中的逆变环节，如果忽视其中的逆变环节，那么并网光伏发电将会产生严重的技术性问题，所以在IEEE的有关标准规定中对技术人员的操作逆变技术有着严格的要求。除此之外，为确保并网控制的顺利应用和环境保护，积极提高并网控制质量和相关的策略问题也是光伏发电问题中被重点对待的问题之一[10]。

（三）光伏发电中的孤岛效应

孤岛效应，通常是指电器发生一定系统性鼓掌之后，对电网造成一定恶劣的影响，使得供电终止，但其中联系到的各种太阳能发电系统却并没有在第一时间之内检测到停电状态，帮助自身从电网中脱离出去，在这样的背景下，太阳能的相关发电系统会单独成为一个公共电网系统，这种系统的形成不再供电的控制范围之内，形成一个独立的供电系统。这种现象的发生在某种程度上对电力相关的维修人员会造成一定安全性威胁，甚至会影响整个电网的正常发展，这就要求供电系统必须能够对电网出现的故障进行及时的检测和分析，之后终止供电运行，确保供电系统的安全性。应对孤岛效应发生的方式普遍被分为主动型和被动型的两种控制方式，但其根本目的都是为了保证对供电检测的有效性和精准性。

四、光伏发电并网控制策略

（一）光伏发电并网技术要求

利用光伏发电是指通过太阳能所辐射出的能源资源，来实现热量与电和光之间的转换，太阳能光伏发电技术是利用相关导体的伏特效应来实现的光伏发电技术。关于光伏并网发电的技术，由于其由光伏阵列、控制器和光伏相关变换器所共同组成。其中光伏变换器会将光伏中发出的电流直接转变之后引入电网当中，光伏控制器主要是对光伏跟踪控制的波形等进行相应的控制管理，能够保证光伏的发电功率在最大化。同时，光伏发电的并网技术也是其系统当中的核心应用技术，能够有效改善发电的整体质量，能够从整体上帮助光伏发电营造其相应的可靠性。而且伴随光伏系统的逐渐增加和完善，在某种程度上其拥有协调电网的优化能力。也正因如此，相关研究光伏发电技术的有关人员制定出一套优化光伏发电技术的相关规定和尺度的要求。

（二）光伏发电并网电流控制

并网光伏发电系统的电流控制一半具有较为明显的光伏发电特点，即在光伏发电相关组建当中产生的直流电，在经过光伏并网有关逆变器的调节和转变之后，成为符合相关用户及政府要求的规格用电，并能够直接流入到公共电网当中。当太阳光照能够保持一定重组量的同时，系统能够自动生成的电力能够供给负载，而后将其中残留的用电直接反馈到公共电网当中，不论白昼都能够为公共用电提供相应的电量供应。这种并网电流控制系统与独立的光伏发电相关系统比较而言，具有传输电量的直接性，并网型光伏发电技术能够将电流直接引入到公共发电电网当中。由此可见，光伏电网的并网电流控制能够免除中间复杂的其他步骤，但其中应用的逆变器需要使用的是特殊并网专用逆变器。

（三）光伏并网逆变技术

光伏并网逆变技术能够实现最大的电网功率跟踪，后级逆变电路也会采用相应的控制方式，对电压的控制逆变和电压能够逐渐稳定，实现电流之间的并网控制。在此系统当中，对最大功率的响应跟踪和并网之间的互动是相对独立的，并且互相没有关联，能够确保整个系统中的运作更加灵活。除此之外，为了能够更加确定逆变器的输出能够与电网之间具有相同的频率，所以需要对电网的信号进行实时采集工作，并与相关技术系统检测出的信号进行同步终端，以该中断的控制点为基本时间点控制。由此可见，光伏并网逆变技术能够帮助光伏发电向更加完善的方向发展，对光伏发电的应用具有十分重要的影响。

结 论

综上所述，中国的光伏发电技术虽远不及发达国家发展的时间早，但这并不影响其发展速度。不过光伏发电系统的发展虽然十分迅速，但在实际应用过程中还是主要存在于偏远地区的发展和管理应用，并且受地理位置的相关影响，此类系统通常没有有关技术人员进行相应的维护工作，也正因如此，并无哪个行发电系统中逆变器的应用显得十分重要。与此同时，大规模光伏系统的应用可以在极大程度上对用电紧张问题起到缓解作用，与此同时也会对电力系统产生一定影响，在大规模光伏发电被接入电网系统的过程中，还需要将其中的不确定性等内容进行全面分析，充分发挥大规模光伏的整体作用。总之，为更好地促进大规模光伏发电系统的正常运行，有效服务大众，还想要加大对光伏的研究力度，进而有效提高电力资源能源的利用率。

参考文献

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[2] 和萍，姚依林，耿斯涵，李从善，崔光照.风光互补发电系统对电网低频振荡特性的影响之研究现状述评[J].轻工学报，2018，33（02）：76-86.

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